Echangeurs tubulaires

L’échangeur tubulaire le plus simple est constitué de deux tubes coaxiaux (figure 2.3.a [3]) ; un fluide HP s’écoule dans l’un des tubes et un fluide BP dans l’autre. En application cryogénique, l’ensemble est généralement placé dans un réservoir à vide pour limiter les échanges de chaleur avec l’air ambiant [3].

Un échangeur tubulaire est généralement utilisé pour des applications nécessitant de faibles capacités où la surface d’échange requise est de 50 m² au maximum parce que le coût par unité de surface est élevé [5]. Des écoulements à contre-courants des fluides froids et chauds favorisent les échanges de chaleur. Pour augmenter les surfaces de transferts, des ailettes radiales ou longitudinales sont installées dans l’espace annulaire.

(a) (b) (c)

Figure 2.3 : Echangeurs tubulaires, (a) échangeur bitube, (b) échangeur bitube à ailettes, (c) échangeur tubes-calandre

Des ailettes en spirales sont représentées sur la figure 2.3.b [3]. Elles permettent d’une part, de fixer le tube intérieur au tube extérieur et, d’autre part, d’imposer un écoulement hélicoïdal plus long du fluide dans l’espace annulaire. Cette configuration permet d’augmenter le coefficient de transfert de chaleur. Il est à noter que les ailettes introduites dans l’espace annulaire accroissent les pertes de pression.

Un deuxième type d’échangeurs tubulaires utilisé dans des applications cryogéniques est l’échangeur tubes-calandre (figure 2.3.c [3]). C’est le type d’échangeur le plus répandu dans de

Chapitre 2 : Conception d’une colonne de distillation à échanges de chaleur intégrés 47 nombreuses industries et il est conçu pour supporter de hautes pressions. Les tubes peuvent être lisses, ou ailetés longitudinalement pour augmenter la surface de transfert de chaleur. Ils peuvent être traversant à deux calandres ou mono-calandre avec un faisceau de tubes en U. Des cloisons sont installées pour diriger le flux du fluide qui circule dans la calandre de façon à améliorer les échanges.

Le choix du matériau de construction des tubes doit prendre en compte la nature des deux fluides circulant et les limites de pression et de température [6]. Le matériau choisi doit disposer d’une conductivité assez élevée et résister aux gradients de température et de pression. Les métaux les plus généralement utilisés, sont le cuivre, les aciers alliés, l’aluminium et le titane. Le coût d’un échangeur tubes-calandre dépend du coût des composants. L’enceinte a le coût le plus élevé pour les enceintes sous pression et respectant donc les codes des appareils à pression ; ce coût croît alors très rapidement avec le diamètre et plus modérément avec la longueur. Un rapport longueur / diamètre de 12 est considéré comme optimal du point de vue des coûts pour de nombreuses applications [6].

En applications cryogéniques, des échangeurs tubulaires sont utilisés pour des systèmes de séparation d’air [7] et de liquéfaction d’hélium [8]. Ils sont aussi utilisés pour la distillation diabatique de mélanges d’hydrocarbures, à températures non cryogéniques.

Une colonne pilote à plateaux, constituée de deux tubes coaxiaux est présentée dans Noda et al. [9]. Le tube interne représente la section de rectification HP et l’anneau extérieur, la section d’épuisement BP (figure 2.4). Le but de l’expérimentation étant de calculer le coefficient de transfert de chaleur inter-colonnes, les colonnes opèrent indépendamment, avec chacune, un condenseur et un rebouilleur, à conditions de reflux total en tête et en cuve.

(a) (b)

Figure 2.4 : Colonne de distillation diabatique bitube, (a) section d’épuisement, (b) section de rectification

La colonne est testée avec un mélange de benzène-toluène. Les évolutions des températures, des débits et des compositions molaires des écoulements de la colonne sont mesurées pour différentes valeurs du rapport de pressions Pr/Pe, considéré comme le paramètre principal de

contrôle des transferts de chaleur. Ces mesures permettent de calculer, par un bilan enthalpique, le coefficient de transfert de chaleur en fonction du rapport de pressions entre la section de rectification et la section d’épuisement.

Les résultats d’essais montrent que les transferts de chaleur ont bien lieu dans le sens du transfert naturel de la chaleur du plus chaud vers le plus froid donc du côté haute pression vers le côté basse pression et ce à partir d’un rapport de pression Pr/Pe de 1,25. Un coefficient de

transfert de chaleur global, presque constant sur la longueur de la colonne, est calculé. Sa valeur varie entre 500 et 1 000 W/m²K en fonction du rapport de pression (et donc de l’écart de températures) entre les colonnes.

Chapitre 2 : Conception d’une colonne de distillation à échanges de chaleur intégrés 48 Pour augmenter les surfaces de contact entre les écoulements HP et les écoulements BP, un arrangement hexagonal de plusieurs tubes coaxiaux (figure 2.5 [10]), munis de garnissages structurés, est testé pour la séparation d’un mélange benzène-toluène.

Figure 2.5 : Arrangement hexagonal de tubes coaxiaux pour une distillation diabatique

Sur une hauteur de 13,5 mètres et un diamètre des tubes externes de 40 cm, deux changements de diamètre des tubes internes sont effectués (figure 2.6, gauche) : de la cuve de la colonne, et jusqu’à une hauteur de 3,7 m, le diamètre des tubes internes est de 27 cm. Ensuite, et sur une hauteur de 5 m, le diamètre du tube interne est de 22 cm. Une deuxième réduction de diamètre interne jusqu’à 18 cm est effectuée sur la dernière partie en tête de colonne.

Figure 2.6 : Structure interne du pilote de colonne diabatique

Ce changement de diamètre a pour but de garder une vitesse de la vapeur presque constante dans la colonne. Dans la section interne de rectification à haute pression, de laquelle la chaleur est puisée, la vapeur se condense : le débit de vapeur diminue lors de l’écoulement ascendant. La section des tubes internes est alors diminuée vers la tête de la colonne. Dans la section externe d’épuisement, le liquide s’évapore du fait de l’apport de chaleur : le débit de vapeur augmente lors de l’écoulement ascendant et une augmentation de la section de passage assure une vitesse constante (figure 2.6 à droite).

La consommation d’énergie de cette colonne est équivalente à 70 % de la consommation d’une colonne conventionnelle simple avec rebouilleur et condenseur. La même colonne est étudiée dans [11] et la consommation d’énergie de la colonne diabatique est calculée pour deux reflux

Chapitre 2 : Conception d’une colonne de distillation à échanges de chaleur intégrés 49 différents : elle vaut 60 % de la consommation d’une colonne conventionnelle pour une colonne diabatique idéale (reflux nul) et 62 % pour une colonne à reflux de 0,3 kmol/h.

Pour un design de colonne de distillation d’air, optimal des points de vue énergétique et économique, les remarques suivantes sont à considérer concernant les échangeurs tubulaires :

la nécessité d’installer des plateaux dans les échangeurs bitubes pour favoriser les transferts de matière entre le liquide et la vapeur de chaque côté ;

la surface d’échange de chaleur limitée dans le cas d’échangeurs bitubes, nécessite le rajout d’ailettes pour favoriser les échanges de chaleur ;

le problème de distribution des fluides sur les tubes dans un échangeur multitubulaire.